包络检波器的设计与实现

目录

前言 (1)

1 设计目的及原理 (2)

设计目的和要求 (2)

设计原理 (2)

2包络检波器指标参数的计算 (6)

电压传输系数的计算 (6)

参数的选择设置 (6)

3 包络检波器电路的仿真 (9)

Multisim的简单介绍 (10)

包络检波电路的仿真原理图及实现 (10)

4总结 (13)

5参考文献 (14)

前言

调幅波的解调即是从调幅信号中取出调制信号的过程,通常称为检波;广义的检波通常称为解调,是调制的逆过程,即从已调波提取调制信号的过程;对调幅波来说是从它的振幅变化提取调制信号的过程；对调频波,是从它的频率变化提取调制信号的过程；对调相波,是从它的相位变化提取调制信号的过程;

工程实际中,有一类信号叫做调幅波信号,这是一种用低频信号控制高频信号幅度的特殊信号;为了把低频信号取出来,需要专门的电路,叫做检波电路;使用二极管可以组成最简单的调幅波检波电路;调幅波解调方法有二极管包络检波器、同步检波器;目前应用最广的是二极管包络检波器,不论哪种振幅调制信号,都可采用相乘器和低通滤波器组成的同步检波电路进行解调;但是,对普通调幅信号来说,它的载波分量被抑制掉,可以直接利用非线性器件实现相乘作用,得到所需的解调电压,而不必另加同步信号,通常将这种振幅检波器称为包络;

为了生动直观的分析检波电路,利用最新电子仿真软件进行二极管包络检波虚拟实验;Multisim具有组建电路快捷、波形生动直观、实验效果理想等优点;计算机虚拟仿真作为高频电子线路实验的辅助手段,是一种很好的选择,可以加深学生对一些抽象枯燥理论的理解,从而达到提高高频电子线路课程教学质量的目的;

1设计目的及原理

设计目的和要求

通过课程设计,使学生加强对高频电子技术电路的理解,学会查寻资料﹑方案比较,以及设计计算等环节;进一步提高分析解决实际问题的能力,创造一个动脑动手﹑独立开展电路实验的机会,锻炼分析﹑解决高频电子电路问题的实际本领,真正实现由课本知识向实际能力的转化；通过典型电路的设计与制作,加深对基本原理的了解,增强学生的实践能力;

要求：掌握串、并联谐振回路及耦合回路、高频小信号调谐放大器、高频功率放大器、混频器、幅度调制与解调、角度调制与解调的基本原理,实际电路设计及仿真;

设计要求及主要指标：用检波二极管设计一AM信号包络检波器,并且能够实现以下指标;

●输入AM信号：载波频率200kHz正弦波;

●调制信号：1KHz正弦波,幅度为2V,调制度为40%;

●输出信号：无明显失真,幅度大于6V;

设计原理

调幅调制和解调在理论上包括了信号处理,模拟电子,高频电子和通信原理等知识,涉及比较广泛;包括了各种不同信息传输的最基本的原理,是大多数设备发射与接收的基本部分;因为本次课题要求调制信号幅度大于1V,而输出信号大于5Ｖ,所以本课题设计需要运用放大电路;本次实验采用二极管包络检波以及运算放大电路;在确定电路后;利用EAD软件Multisim进行仿真来验证假设结果;

总设计框图如1-1：

→

图1-1总设计框图

二极管包络检波器的工作原理：

检波原理电路图如图1-2

图 1-2检波原理电路图

检波的物理过程如下：

在高频信号电压的正半周期,二极管正向导通并对电容C充电,由于二极管正向导通电阻很小,所以充电电流I很大,是电容的电压Vc很快就接近高频电压峰值,充电电流方向如下图1-3所示：

图1-3

这个电压建立后,通过信号源电路,又反向地加到二极管D的两端;这时二极管是否导通,由电容C上的电压Vc和输入电压Vi共同决定;当高频信号的瞬时值小于Vc时,二极管处于反向偏置,处于截止状态;电容就会通过负载电阻R放电;由于放电时间常数RC远大于调频电压周期,故放电很慢;

当电容上的电压下降不多时,调频信号第二个正半周期的电压又超过二极管上的负压,使二极管导通;如图1-3中t1到t2的时间为二极管导通如图1-4的时间,在此

时间内又对电容充电,电容的电压又迅速接近第二个高频的最大量;如图1-3中t2至t3时间为二极管截止如图1-5的时间,在此时间内电容又通过负载R放电;这样不断地反复循环;所以,只要充电很快,即充电时间常数RdC很小Rd为二极管导通时的内阻而放电时间很慢即放电时间常数RC很大,就能使传输系数接近1;

另外,由于正向导电时间很短,放电时间常数又远大于高频周期,所以输出电压Vc的起伏很小,可看成与高频调幅波包络基本一致,而高频调幅波的包络又与原调制信号的形状相同,故输出电压Vc就是原来的调制信号,达到解调得目的;

图1-4 二极管导通图1-5 二极管截止

图1-6

根据上述二极管包络检波的工作原理可设计出符合本次课程设计“包络检波器的设计与实现”的检波器,其原理电路图如图1-7所示;

图1-7 包络检波器电路图

2 包络检波器指标参数的计算电压传输系数的计算

等幅载频：K d=

cos

cos Vo Vs

Vs Vs

ϕ

==ϕ

AM波：K d=

cos

cos V mVs

mVs Vs

Ωϕ

==ϕ

φ仅于RD2R有关,与包络无关;

Kd为常数,

理想：R>>R D,φ→0,K d=1

理想：R>>R D,φ→0,K d=1

参数的选择设置

①v s较小时,工作于非线性区；

②R较小时,R D的非线性作用↑;

解决：R足够大时,R D的非线性作用↓,R的直流电压负反馈作用↑;但RRC过大时,将产生：

a惰性失真τ放跟不上v s的变化；

b负峰切割失真交流负载变化引起;

a惰性失真如图

图2-1

由图可见,不产生惰性失真的条件：

v s包络在A点的下降速率≤C的放电速率;

即：

τ=RC≤

2

max max max 1+m

mΩ

b负峰切割失真交流负载的影响及m的选择

图2-2

C c为耦合电容很大

直流负载为：R

交流负载为：R交=RR L/R+R L

∵C c很大,在一个周期内,V c不变≈V s K d≈1时∴V R=V AB=V c R/R+R L

由图：临界不失真条件：

V smin=V c-m V s≈V s-mV s=V s1-m

m较大时,若V R>V smin,则产生失真;

则要求：

τ=RC≤

2

max max max 1+m

mΩ

例：

m=,R=Ω时,要求：R L≥2kΩ；

m=,R=Ω时,要求：R L≥Ω；

即：m较大时,要求负载阻抗R L较大负载较轻; 负峰切割失真的改进：

图2-3检波器的改进电路

R直=R1+R2

R交=R1+R2R L/R2+R L=R1+R交'

即：

R1足够大时,R交'的影响减小,不易负峰切割失真;但R1过大时,VΩ的幅度下降,一般取R1/R2=~

2检波电路R i大,即检波电路的R L大;

3晶体管和集成电路包络检波,为直接耦合方式,不存在C c;

3包络检波器电路的仿真

的简单介绍

Multisim是Interctive Image Technologies公司推出的一个专门用于电子电路仿真和设计的软件,目前在电路分析、仿真与设计等应用中较为广泛;该软件以图形界面为主,采用菜单栏、工具栏和热键相结合的方式,具有一般应用软件的界面风格,用户可以根据自己的习惯和熟练程度自如使用;尤其是多种可放置到设计电路中的虚拟仪表,使电路的仿真分析操作更符合工程技术人员的工作习惯;

包络检波电路的仿真原理图及实现

如下图所示为Multisim的仿真原理图

图3-1 仿真原理图

a如果将仿真原理图中开关A、C闭合,打开仿真按钮,此时二极管包络检波后的波形,如下图：

图3-2 检波不失真波形

此时输出的为正弦波,输出波形不失真,与试验要求相符;

b如果将仿真原理图中开关B、C闭合,打开仿真按钮,此时二极管包络检波后的波形,如下图：

图3-3 惰性失真的波形

此时输出波形呈锯齿状变化,输出发生了失真,为惰性失真,与试验要求相符;

c 如果将仿真原理图中开关A、D闭合,再将滑动变阻器旋钮移到100%,即使所接电

阻为最大;打开仿真按钮,观察示波器,可得到二极管包络检波后的波形,如下图：

图3-4 切割失真

此时发现输出的正弦波底部被切割了一部分,输出发生了失真,为底部切割失真,与试验要求相符;

再次旋动滑动变阻器到75%,观察示波器,看到输出波形如下图：

图3-5 切割失真

发现输出的正弦波底部也被切割了一部分,发生了失真,为底部切割失真,与试验要求相符;与图3-4相比,发现图3-5切割的更多,即失真变大;

继续旋动滑动变阻器到50%,观察示波器,看到输出波形如下图：

图3-6 切割失真

结论：滑动变阻器接入电阻越小越易发生切割失真,即失真越明显;

4总结

这次的设计,给自己的印象很深刻;通过本次实验的课题设计,对本课题有了一定的了解;但是,在对该课题有一定了解的前提下,也发现了很多问题,当然,都是自身的不足;认识到理论与实践之间的差距,联系实际的应用去理解知识比一大堆理论来的直接与清晰明了;在设计中难免会遇到很多学习中不会注意到的问题,比如说在调制中,在取某些值后输出是失真的波形,在设计开始并没有想过会存在那样多的问题,当着手时才发现要完成一个信号的调制与解调,在元器件、电路和取值都要有一部分的要求;

当然,在设计中也遇到很多学习上的问题,有些地方自己根本看不明白,但经过同组有些同学一提,才发现有些很简单的地方自己却并不理解,确实是一个很纠结的问题;不过,我相信,通过自己的努力,不会让自己失望的;

5参考文献

1 曾兴文,刘乃安,陈健.高频电子线路M.北京：高等教育出版社,2007

2 张肃文等.高频电子线路M第四版.北京：高等教育出版社,2004

3 路而红等.虚拟电子实验室M.北京：人民邮电出版社,2006

4 华成英,童诗白.模拟电子技术M第四版.北京：高等教育出版社,2006

5 清华大学通信教研组.高频电路M.北京：人民邮电出版社,1979

6 杨欣,王玉凤.电子设计从零开始M.北京：清华大学出版社,2009

7 谢嘉奎.高频电子线路M第二版.北京：高等教育出版社,1984

8 武秀玲,沈伟慈.高频电子线路M.西安：西安电子科技大学出版社,1995